Stały kwas lepszy od polimeru?

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Ogniwa paliwowe to najbardziej wydajne urządzenia zamieniające energię chemiczną w elektryczną. Mają jednak kilka wad, a należą do nich m.in. zbyt wysoka temperatura pracy lub niższa temepratura i konieczność zapewnienia ogniwu paliwa o wysokiej czystości.

Kalifornijska firma Superprotonic rozwija ogniwa, które mają pracować w stosunkowo niskich temperaturach i mogą korzystać z nieoczyszczonego wodoru, a ten będzie można pozyskiwać prostymi metodami np. z naturalnego gazu czy etanolu.

W ogniwach paliwowych elektrolit umieszczony jest pomiędzy anodą i katodą. Do anody dostarczany jest wodór, a do katody tlen z powietrza atmosferycznego. Atomy wodoru, przechodząc przez elektrolit ulegają rozbiciu na protony i elektrony. Protony przenikają przez elektrolit, a elektrony są pozyskiwane do obwodu elektrycznego zapewniając energię. W końcu w katodzie dochodzi do ponownego połączenia protonów i elektronów, a że dzieje się to w obecności tlenu, produktem ubocznym jest woda.

Obecnie istnieje kilka typów ogniw paliwowych, które różnią się przede wszystkim rodzajem wykorzystywanego elektrolitu. Najczęściej wykorzystywanym rodzajem ogniwa jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC - Polymer Electrolyte Membrane), używane przez przemysł samochodowy. Dostarcza ono sporo mocy na jednostkę powierzchni, jednak do pracy wymaga wody, która ułatwia przenikanie protonów. Skoro potrzebujemy wody w stanie ciekłym, to ogniwo nie może rozgrzewać się powyżej 100 stopni Celsjusza, a więc konieczne są wydajne systemy chłodzenia. Ponadto w niskich temperaturach łatwo może dojść do zanieczyszczenia katalizatora tlenkiem węgla i innymi związkami chemicznymi, tak więc konieczne jest użycie bardzo czystego paliwa.

Z drugiej strony istnieją ogniwa paliwowe, które nie wymagają czystego paliwa, ale po pierwsze do wydajnej pracy potrzebują osiągnięcia odpowiedniej temperatury, a po drugiej - pracują w bardzo wysokich temperaturach (powyżej 500 stopni Celsjusza), co znacznie ogranicza zakres ich użycia.

Przemysł samochodowy szuka więc alternatywy dla PEMFC, a tą może okazać się ogniwo ze stałym kwasem (SAFC - solid acid fuel cell). Stały kwas był po raz pierwszy testowany jako elektrolit w ogniwach w 2001 roku przez naukowców z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech), którzy później założyli firmę Superprotonic.

Początkowo wydawało się, że stałe kwasy nie nadają się do ogniw, gdyż są rozpuszczane w wodzie, a ta pojawia się w reakcji. Jednak badania firmy Superprotonic wykazały, że stałe kwasy nie są rozpuszczane przez parę wodną, a ogniwo SAFC pracuje w temperaturze 100-300 stopni Celsjusza. Przeprowadzone już testy udowodniły, że stały kwas sprawdza się podczas wielodniowego wykorzystywania i wielokrotnego schładzania i podgrzewania ogniwa. Ogniwa SAFC pracują też, co bardzo istotne, z zanieczyszczonym paliwem.

Mają kilka zalet w porównaniu z PEMFC. Jedną z najważniejszych jest fakt, że przez membranę przechodzą tylko i wyłącznie protony, a nie, jak ma to miejsce w PEMFC, również molekuły wody. Ogniwa SAFC pracują przy ciśnieniu około 1 atmosfery (PEMFC wymagają 3 atmosfer), nie wymagają stosowania wymuszonego obiegu wody i wystarczy, by temperaturę ich pracy utrzymać w zakresie 100-300 stopni Celsjusza. Ponadto ich skonstruowanie wymaga zastosowania znacznie mniejszej ilości drogich metali (jak platyna), elektrolit ze stałego kwasu jest tańszy od membrany polimerowej, a drogie grafitowe podzespoły używane w PEMFC można zastąpić tańszymi aluminiowymi. Cała budowa ogniw SAFC jest mniej złożona niż ogniw PEMFC.

Na razie, jako że technologia ogniw ze stałym kwasem jest bardzo młoda, trudno przewidywać jak potoczą się jej losy. Bardzo jednak możliwe, że z czasem ogniwa z polimerową membraną zostaną wyparte z rynku przez ogniwa SAFC. Jednak nawet twórcy nowego ogniwa są ostrożni. Zauważają, że prace nad ogniwami paliwowymi trwają od wielu lat i wciąż nie stworzono technologii, którą opłacałoby się zastosować na szeroką skalę.